从智能天线与传统蜂窝基站天线比较谈TD-SCDMA

1、从智能天线与传统蜂窝基站天线比较谈TD-SCDMA组大网（宏蜂窝）的可能性西安海天天线科技股份有限公司 肖良勇在联盟产业组第12次工作会上，西安海天天线董事长肖良勇教授做了题为从智能天线与传统蜂窝基站天线比较谈TD-SCDMA组大网（宏蜂窝）的可能性的报告，从射频及电波传播角度，就TD-SCDMA单独组网的可行性进行论证。报告引起了各与会企业的一致重视，希望能更深入地了解西安海天在TD-SCDMA智能天线领域的研发成果。基于此，宣传组特别向肖良勇教授约稿，以飨读者，并特别对肖良勇教授在百忙中给予的大力支持表示衷心感谢！肖良勇教授简历：肖良勇，1935年11月生，原任西安电子科技大学天线工程发展

2、中心主任、教授、硕士生导师、中国电子学会天线专业委员会委员、陕西省第八届人大代表、陕西省第七届政协委员。1998年退休。现任西安海天天线科技股份有限公司董事长、陕西省十届人大代表、西安市慈善会常务理事。IMT-2000是国际电信联盟（ITU）提出的第三代移动通信系统。最早称为未来公众陆地移动通信系统（FPLMTS），其目的在于全球使用统一的频率，统一的标准，实现全球漫游和提供多种业务。IMT-2000总共包括了5大标准体系，其中TD-SCDMA、WCDMA、和CDMA2000，这3个标准是主宰移动市场的航母。TD-SCDMA采用智能天线和多用户联合检测技术，是具有自主知识产权的移动通信标准。无

3、线传输技术是决定系统性能和容量的关键技术，也是各个标准中差异最大的部分，并且任何高层的协议和应用都是以物理层为基础，为物理层服务。TD-SCDMA的物理层关键技术包括上行同步、智能天线、联合检测、信道估计和接力切换等。在基站使用阵列天线进行收发，并且结合基带时空信号处理，可以大大改善系统的性能。在未来的第三代移动通信系统中，基站（和移动台）使用阵列天线进行时空联合自适应处理已经成为系统扩容的一个重要内容。TD-SCDMA技术的关键技术之一就是智能天线技术，从某种意义上讲，TD-SCDMA系统是基于智能天线设计的。对于其他的第三代移动通信系统，智能天线技术的引入仍然是系统性能（质量和容量）改善的

4、重要内容。在与大唐移动通信设备有限公司合作下，我公司开展了对TD-SCDMA系统中智能天线阵列的研发，下面将给出我们研究的结果。1 智能天线性能介绍1.1 工作原理图1 全向阵列天线图2 扇区阵列天线我公司研发智能天线如图1和图2所示，下面以扇区阵列天线的性能介绍智能天线的工作原理。该智能天线阵列有两种工作模式。在蜂窝移动通信系统中，由于用户通常分布在不同方向（也有用户方向重合的情况），加之无线移动信道的多径效应，有用信号仅存在一定的空间分布而并非整个蜂窝小区或者整个扇区。当基站接收信号时，即在上行链路中，来自各个用户的有用信号到达基站的方向可能不同；当基站发射信号时，即在下行链路中，可被用户

5、有效接收的也只是部分信号。考虑到上述因素，调整天线的方向图使其能定向性的发射和接收就非常合适了，这也就是波束形成（Beam Forming）（可在射频、中频或基带实现），把这种模式定义为工作模式。图3系统工作示意图智能天线系统在未通话状态时基站仍然需要向扇区内所有用户发送公共控制信息，并通过小区内不同方向的用户返回给基站的信息来判断用户方向和数量。这种功能要求基站天线的方向图能够均匀地覆盖整个扇区，即广播模式。如图3虚线所示。而通常提到的波束形成分两种方法：切换波束阵列（Switching Beam Array）和跟踪波束阵列（Tracking Beam Array）。对于切换波束阵列，预先形

6、成一定数量角度固定的窄波束，仅在数字信号处理中采用算法计算出切换到“最优”波束使波束指向期望用户方向。这种方法只能通过低副瓣来降低干扰。而跟踪波束阵列能够实时形成权值使主波束跟踪期望用户，并在干扰用户方向形成零陷以提高信噪比。这种方法的缺点是实时得到权值的计算量显著增加。从阵列综合的角度出发，阵列形式的设计和激励权值的确定是两个核心的问题。阵列形式一旦设计好之后就是固定不变的了，可以调整的只能是激励权值。激励权值即激励幅度、相位可分别通过衰减器、移相器或者在基带中使用DSP芯片实现。对于上述两种工作模式，考虑实现的难易程度：先根据广播模式对方向图要求综合阵列结构和激励权值；再对求出的阵列结构综

7、合工作模式激励权值。1.2 天线性能TD-SCDMA系统采用智能天线技术，可以将发射功率集中至小区内活动UE所在的位置，并在UE移动过程中全程监控。智能天线技术可以带来以下好处： 降低小区间干扰； 降低多径干扰的影响； 基站接收灵敏度增加9dB，故仍然可能使用低发射功率达到较远通信距离。在使用相同发射功率级别的手持机条件下，TD-SCDMA的通信距离比WCDMA要大。下面给出我们公司设计的应用于TDSCDMA系统的4单元扇区天线阵HTZN18/209014。该天线的工作频段同时覆盖了TDSCDMA的18801920MHz和20102025MHz两个工作频段。图4分别给出了两个频段上阵列的广播模

8、式方向图，具体参数如表1。在两个工作频段上波瓣宽度随频率变化误差仅为3.37（18801920MHz）和3.06（20102025MHz），远小于国标±10。变量频率(MHz)HPBW(度)Ripple(dB)Gain(dB)201088.141.3514.00201887.691.1813.96202587.251.1713.94188093.371.6813.66190091.710.8713.51192089.941.0713.39表1 广播模式方向图参数对于边射阵，波束扫描角度最大方向时副瓣最高，因此本文给出了工作波束扫描至扇区边缘45o时的方向图。图5 给出了期望用户方向分

9、别为45o、67o形成的工作波束。可以看到即使最大用户在扇区边缘时由于波束形成技术可提供的信干比仍可达到10.74dB。图6分别模拟了系统给定一个期望用户，且有一个、两个或者三个强干扰用户情况下，在天线阵上可形成的方向图。可以看到通过调整阵列的单元激励权值，可以在天线阵上形成主波束对准期望用户，同时在强干扰用户方向形成零陷以抵消干扰用户对系统的干扰。在有一个或者两个强干扰用户情况下下，由于天线阵上可以生成零陷达到-40dB以下。对于有三个强干扰用户情况下，由于单元数目限制，形成方向图零点数目少于干扰数目。但是所有零点的数值均小于33dB，对干扰仍然具有很强的抑制作用。2三种系统覆盖区域比较TD

10、-SCDMA系统中使用了多端口阵列天线，通过调整不同的权值来实现扇区覆盖与波束扫描，业务波束的扫描实现了用户的跟踪。前面分别给出了两种模式下的TDSCDMA扇区天线阵的工作特性，图7给出天线在跟踪过程中天线波束扫描的效果。而WCDMA和CDMA2000使用的天线与2G移动通信系统中实用的天线相同，都是固定波束天线，图8给出TD-SCDMA采用扇区天线阵覆盖与WCDMA、CDMA2000采用常规波束宽度65度增益18dBi定向天线以及波束宽度120度增益16dBi定向天线覆盖区域比较。TD-SCDMA智能天线与WCDMA、CDMA2000传统天线场强覆盖比较有以下结果：1、无论在扇区的中心方向还是扇区的边缘方向，TDSCDMA系统天线比传统天线信号场强：高58dB（在发射功率相等的情况下）；或要达到同样信号唱片，基站的发射功率小36倍。2 、传输距离：远77150。3、 基站数目：少2/35/6。在多用